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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA 
 EEL / USP
 
TIPOS DE BIORREATORES 
Novembro de 2009
Definição
Reatores químicos nos quais ocorrem reações catalisadas por “Biocatalisadores”. 
Enzimas 
Células vivas 
Microrganismos 
Animais 
Vegetais 
Introdução
São os biorreatores mais conhecidos e utilizados.
 São empregados desde a década de 40 para a produção industrial para uma grande diversidade de produtos, como: enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes e tratamento de resíduos.
Células vivas 
Microrganismo 
		Os biorreatores são concebidos em função do tipo de processo e dos agentes biológicos empregados.
		Podem possuir características bem distintas no que se refere a fenômenos de transporte (calor, massa e quantidade de movimento). 
		
			 
Introdução
Exemplos:
 Tipo de microrganismos:
Leveduras e bactérias X Fungos filamentosos 
Tipo de biocatalisador:
Microrganismos X Células animais ou vegetais
Tipo de processo:
Elevada concentração celular
 
Introdução
		Cerca de 90 % dos reatores utilizados industrialmente são do tipo reator de mistura STR (agitados mecanicamente).
		Há um grande interesse por outros tipos de reatores, mas a maioria dos processos ainda se encontra em escala de bancada ou semi-piloto.	 
Introdução
		A capacidade de um biorreator é bastante variável, sendo dependente do processo em questão.
» 1 a 2 m3 – cultivo de patogênico ou células animais ou vegetais. Normalmente para a produção de substâncias ligadas à saúde.
 			 
» 100 a 200 m3 – enzimas, antibióticos e vitaminas.
» Acima de 1000 m3 – processos que exigem pouca assepsia, como fermentação alcoólica e tratamento biológico de resíduos.
Introdução
		Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como:
» O tipo de biocatalisador:
		
Células
 ou 
Enzimas
Classificação dos biorreatores
Levedura
Bactéria
Animal
Vegetal
		Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como:
» A configuração do biocatalizador:
		Livres ou imobilizados.
Classificação dos biorreatores
		Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como:
» A forma de agitar o líquido no meio: 
		Mecânica ou pneumática
Classificação dos biorreatores
		
		Considerando as várias propostas usualmente encontradas, foi proposta uma classificação mais abrangente.
Classificação dos biorreatores
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
» Um biorreator do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico sendo comuns relações entre a altura (H) e o diâmetro (D) de 1:1, 2:1 ou 3:1.
» Normalmente é equipado com Chicanas (com largura 0,1D), utilizadas para evitar a formação de vórtice.
 O agitador é montado no eixo central, podendo possuir ao longo de sua altura uma série de turbinas, as quais podem ser de diferentes tipos.
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Turbina RUSHTON
Turbina Paddle
Agitador em âncora
Agitadores de fluxo Radial
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitadores de fluxo Axial
Hélice marinha
Hélice com fluxo duplo
Hélice com grandes pás
Agitador com fita helicóide
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Agitados Mecanicamente
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 Funções da agitação:
	» Homogeneizar o Meio;
	» Dispersar os gases no Líquido 	(diminuir o tamanho das bolhas e 	melhorar a transferência de 	oxigênio).
Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 Os reatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência de agitador mecânico, sendo o líquido agitado pelo borbulhamento de gás (normalmente ar). 
Coluna de bolhas
“Air-lift”
 Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais.
 A diferença básica entre o reator coluna de bolas e Air-Lift, é que este último tem movimentação cíclica do líquido (bem ordenado) e o primeiro apresenta movimentação aleatória.
Agitados Pneumaticamente
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Fluxo Pistonado
 Nos reatores de fluxo pistonado “plug-flow” o inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema, sendo que a cultura flui com uma velocidade constante e em regime laminar (sem ocorrer mistura longitudinal, “backmix”). 
 Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator.
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranasplanas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
 Caracterizam-se pela ausência de agitação. 
 Os “reatores de bandejas”, são bastante limitados no que se refere a condições de transferência de oxigênio e controle das condições ambientais do processo.
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
 Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares, consequentemente elevadas produtividades. 
Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo: 
 Pectina, materiais cerâmicos, vidro, sílica, etc., 
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado.
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Nos reatores de leito fluidizado as partículas (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam intensamente.
A fluidização do leito pode ser realizada por: 
 » Injeção de ar; 
 » Gás inerte; 
 » Corrente de recirculação do líquido no reator. 
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Estático
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas
» Os reatores de células confinadas caracterizam-se por manterem as células entre membranas semipermeáveis.
» Permitem o fluxo do líquido, mas não das células.
» Normalmente eles apresentam separação entre os fluxos de nutrientes e produtos o que contribui para as etapas de purificação de produtos. 
» Nestes reatores as tensões de cisalhamentos são mínimas (menores do que air-lift). Sendo assim, indicados para células muito sensíveis. 
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
 Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação semi-sólida), se caracterizam pela ausência de "água livre" (30 a 80% de umidade). 
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 Os “reatores de bandejas” (“stationary trays”), são bastante limitados no que se refere a condições de transferência de oxigênio e controle das condições ambientais do processo.
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação. 
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas. 
Gás
		Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em 
fase aquosa
(submersa)
Reatores em 
fase 
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
 No Leito fluidizado gás-sólido a fluidização ocorre com elevada vazão de gás, o que além de melhorar a transferência de massa no sistema auxilia no controle da temperatura.
GásGás